2017, Vol. 37
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2. 佛山市气象局, 佛山 528000;
3. 暨南大学大气环境安全与污染控制研究所, 广州 510632
2. Foshan Meteorological Bureau, Foshan 528000;
3. Institute of Atmospheric Environmental Safety and Pollution Control, Jinan University, Guangzhou 510632
FAN Shaojia, E-mail: wudui@grmc.gov.cn
佛山是珠江三角洲的制造业重镇, 正处于经济飞速发展时期, 伴随城市化、工业化而来的是区域资源和能源的巨量消耗, 以及多种大气污染物集中高强度的排放, 导致局地空气质量显著恶化, 灰霾、光化学烟雾等污染天气频发(吴兑等, 2008; 2011), 大气污染呈现出区域性特征(范绍佳等, 1996；吴兑等, 2012).空气质量恶化所引起的大气环境问题对广大人民群众的生产生活和身体健康有着不容忽视的危害(邓茂芝等, 2003；Wu et al., 2005；Tie et al., 2009), 其引发的环境效应问题引起社会公众的广泛关注, 在新的《环境空气质量标准》发布后, 佛山地区所面临的细粒子污染等大气污染形势更加严峻(吴兑等, 2012).
气象条件是造成空气质量短时剧烈变化的直接影响因子, 大气边界层、区域气候、天气背景等特征均与污染物的扩散和输送密切相关.珠江三角洲背山面海, 特殊的地理环境使得珠三角地方的气象特征非常复杂, 不同季节会频繁受到季风、台风和寒潮的影响, 同时还受海陆风、城市热岛环流等多种局地环流的复合影响(吴小鸣等, 1991；范绍佳等, 2005；Feng et al., 2007).珠三角地区是我国开展边界层垂直观测最密集的地区之一(邓涛等, 2010；廖碧婷等, 2012), 研究人员在此开展了相当丰富的大型大气边界层观测实验, 发现海陆风、山谷风、热岛环流等局地环流对珠三角的空气质量也有着不容忽视的影响(李明华等, 2007；2008；张人文等, 2012), 并在此基础上归纳总结提出了解释边界层气象特征对珠三角空气质量影响的概念模型(范绍佳等, 2005; 2006).此外, 近地层输送条件对污染的搬运和输送等也是影响区域污染物浓度的关键气象要素(吴兑等, 2008；Wu et al., 2013).由于珠三角地区众多的大型、特大型城市聚集在狭小的区域内, 风场更容易在城市间进行污染物的输送(陈燕等, 2005), 导致在发生大气污染时不同城市之间相互影响, 造成显著的区域性污染特征(余纬等, 2011；李婷苑等, 2012).
佛山是珠三角地区空气质量问题最为严重的城市之一, 研究佛山地区大气边界层特征对认识污染天气的机理和条件具有重要意义, 能够为佛山地区空气质量的预测预报乃至于治理提供一定的参考.本文主要利用2013年12月在佛山开展的大气边界层观测试验资料, 应用多种研究方法从垂直风温结构方面, 探讨佛山地区大气边界层结构对空气质量的影响.
2 实验设置和研究方法(Experimental setup and methods)通过对珠三角地区历史观测资料和空气质量的调研, 在对比考察不同地点后, 选择12月份在佛山地区开展观测实验, 这是因为珠三角地区属亚热带气候, 干湿季分明(一般认为珠三角地区干季是当年10月至次年3月), 干季空气质量相对较差, 而佛山是整个珠三角地区污染天气最为严重的城市之一, 选择该时间该地点做观测实验能够较好地实现预期目标.在佛山地区干季的大气边界层观测实验具体开展时间为2013年12月10日—2014年1月8日, 具体观测点设在佛山市三水区气象局(图 1), 临近三水植物园, 周边下垫面单一, 环境干扰较小.逐日AQI资料和逐时PM2.5浓度资料则来自邻近的三水云东海空气质量监测国控点(位于三水植物园内), 按照日平均PM2.5浓度＞75 μg·m-3为1个污染日, 反之则为非污染日.
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| 图 1 2013年12月佛山大气边界层试验布点示意图 Fig. 1 Map of the observation stations during Foshan ABL experiment in December 2013 |
观测试验采用双经纬仪小球基线测风, 一般情况下, 会在每天的6：00—23：00间隔2 h进行至少8次观测, 其他时间也会根据天气条件和观测需要开展加密观测.出现较强降水时则停止观测, 总计30个观测日中共采集到了26 d的较完整的数据, 其中, 12月14—17日受连续性降水影响未能开展实验.
经纬仪使用的是光电一体化自动读数经纬仪, 在观测前已经过了严格的校准；探空仪为北京大学地球物理系工厂生产的温度单要素探空仪, 在每次使用前都经过了严格的标定；采用三角水平投影法反演不同高度的风速、风向.观测中探空气球升速约为150 m·min-1, 测风读数间隔为20 s, 温度探空数据采集间隔为1 s.当温度探空仪随探空气球升到高空后, 受探空包晃动或云层等因素干扰, 温度探空数据常常会出现较明显的野点, 处理时采用理论温度梯度结合仪器测量误差来估算实际容许的最大温度变化梯度, 从而实现自动剔除超出梯度范围的异常数据.以图 2为例, 气球的升速约为2 m·s-1, 探空仪每隔1 s获取一个数据, 探空仪本身的测量误差约为0.3 ℃, 那么实际测得的温度梯度应该是小于0.1 ℃·m-1, 超出的则有可能是野点, 该算法能够在保留原始数据的基本变化趋势的前提下去除掉绝大部分野点.
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| 图 2 原始温度廓线(a)与质控后温度廓线(b) Fig. 2 The temperature profile of original (a) and after QC (b) |
资料处理时, 将小球探空的风场资料处理到50 m的分辨率, 温度资料则经过质量控制后维持原分辨率不做处理, 通常约为3 m.本研究除特别指明外, 所有统计的逆温层高度(Inversion Layer Height, ILH)均指的是逆温层底高度, 贴地逆温是逆温层底高度为0 m的逆温层, 考虑到最低逆温层高度对空气质量有重要影响, 分析时统计的均为最低逆温层高度, 即如图 2中有贴地逆温和低空逆温同时出现时, 只统计贴地逆温.
本研究采用盛裴轩等(2003)提出的边界层演变理论来判断各个时刻的大气边界层各分层高度, 计算时采用位温来代替虚位温.同时还利用大气边界层通风量(Ventilation index, Ⅵ指数)来描述大气边界层内大气对污染物输送、扩散的能力(Pasch et al., 2011), 大气边界层通风量同时考虑了大气边界层高度和边界层内风速的作用, 而这两者都是与局地空气质量有着重要关系的大气边界层参量, 因此, 大气边界层通风量可以较好地反映局地大气边界层通风能力对空气质量的影响.其计算公式如下：
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(1) |
式中, i为该时刻风速对应的高度层(km)；hi为i层的高度(km)；vi为i层的风速(m·s-1)；ABLH是该时刻边界层高度(km), 大气边界层高度白天为混合层高度, 夜间为稳定边界层高度.
对垂直风场的研究中采用了局地回流指数(Recirculation factor, RF)进行研究.局地回流指数最早是由Allwine等(1994)提出的用来反映风场有效输送能力, 其认为局地回流(Recirculation)是指污染物起初被风场输送出去, 但随后又被输送回来的现象, 其计算公式如下：
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(2) |
式中, t为相应的数据时刻；ts为起始时刻；te为终止时刻；ΔT为平均数据时间间隔；ut为水平风速的南北分量；vt为水平风速的东西分量.实际应用中, 当RF接近1时, 代表的是平直稳定的输送；当RF接近0时, 代表着几乎没有有效输送.
3 观测期间空气质量与天气概况(Air quality and weather conditions during observation)在大气边界层观测期间, 佛山地区多次受到冷空气过程影响, 多次出现污染天气.图 3给出的是观测实验期间佛山云东海国控点的逐日PM2.5浓度变化情况, 总体来看, 多数时候PM2.5浓度都相对较高.观测期间, 2013年12月14日开始出现零星降水, 随后15—17日出现持续性强降水, 云东海PM2.5浓度快速降低.若剔除掉降水影响, 观测试验期间佛山云东海仅有3 d空气质量在国家空气质量二级标准以内, 在降水后PM2.5浓度出现长达19 d连续超标, 最大日均浓度甚至超过140 μg·m-3, 本次观测试验捕捉到了珠三角地区历史少有的持续性的长时间PM2.5重污染事件.为了研究边界层垂直风温结构对PM2.5浓度的影响, 本研究在对整个试验期间数据分析的基础上还结合了2013年12月19—22日的典型过程分析, 该过程出现在强降水后是由清洁天气转为污染天气, PM2.5浓度逐日显著增加直至超标, 可较好地反映导致出现污染的大气边界层风温结构.
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| 图 3 观测实验期间佛山云东海逐日PM2.5浓度变化 Fig. 3 The daily concentration of PM2.5 in Foshan during the observations |
表 1给出的是观测试验期间污染日与非污染日最低逆温层高度的分布情况.从中可以看出, 佛山污染日近60%的最低逆温层高度低于1000 m, 而非污染日低于1000 m的最低逆温层仅占36%, 多数最低逆温层集中在1000~2000 m之间.特别的, 污染日佛山贴地逆温频率为31.2%, 非污染日贴地逆温频率为12.8%, 污染日贴地逆温等较低的逆温层极大地抑制了大气的垂直扩散能力, 将污染物聚集在逆温层之下, 而非污染日垂直温度场趋于中性, 不利于低空逆温的形成和持续, 拓展了污染物的垂直扩散空间, 促进PM2.5浓度的降低.
| 表 1 观测试验期间污染日与非污染日最低逆温层高度频率分布 Table 1 The frequency of the lowest inversion layer height of pollution days and non-pollution days during the observation |
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图 4给出的是2013年12月19—22日各观测时刻佛山2000 m高度以下的逆温变化情况.在该过程中78%以上的观测时刻观测到了逆温层, 最低低空逆温高度约为500 m, 最高则为1900 m, 平均低空逆温出现高度约为1000 m；83%以上的夜间观测时刻观测到贴地逆温, 厚度最大约为100 m.部分观测时刻还出现了双重逆温, 逆温层层结非常稳定, 较低的逆温层高度将污染物积累在底层大气中, 尤其是夜间存在的贴地逆温, 进一步促使了污染物的堆积.
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| 图 4 观测试验期间典型过程的逆温层特征 Fig. 4 The feature of inversion layer of typical process during the observations |
为了更加直观地对比观测试验期间污染日与非污染日垂直风场结构的异同, 将试验期间的100 m处平均风速v向上取整得到[v], 定义v＜[v]为该观测点该次观测实验所测得的小风, 当观测风速小于[v]时, 风场的水平输送能力小于平均大气输送能力, 存在出现污染天气的潜在可能, 本次观测实验中[v]=5 m·s-1.图 5给出了佛山观测试验期间污染日与非污染日小风层随时间变化情况, 从图中可以看出, 污染日小风层的厚度明显大于非污染日, 白天两者小风层的差异最为显著.污染日小风层最大厚度达到800 m, 持续时间为9：00—21：00, 而非污染日小风层厚度则仅为200 m左右, 出现在15：00—19：00.持续存在的小风层导致大气垂直扩散能力非常弱, 有助于污染物的持续累积, 而且发育深厚的小风层往往更稳定, 存在时间也更长, 加剧了PM2.5浓度的升高.
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| 图 5 试验期间污染日(a)与非污染日(b)小风层时间-高度变化 Fig. 5 The hourly thickness of weak wind layer ofpollution days (a) and non-pollution days(b) during the observations |
图 6给出观测试验期间污染日与非污染日的平均RF廓线情况.从中可以看出, 垂直风场的不稳定性使得污染日佛山局地回流活跃, RF指数极小值多分布在0.2~0.4之间, 其RF指数普遍小于非污染日, 垂直风场的有效输送能力被显著削弱, 有利于污染物的累积.
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| 图 6 试验期间污染日(a)与非污染日(b)平均RF廓线特征 Fig. 6 The mean RF profiles of pollution days (a) and non-pollution days (b) during the observation |
图 7为2013年12月19—22日观测试验期间佛山风廓线变化情况.从图中可以看出, 风场呈现出典型的3层结构, 在800 m和1400 m左右出现风切变将风场分隔为3层, 高层风速较大, 中层和底层则风速相对较小.底层风速日变化明显, 风速总体逐渐减小, 意味着底层的通风能力逐渐变差, 大气输送能力与扩散能力较差.随着风切变高度的变化, 中层厚度增加, 风速始终较小的中层高度逐渐下移到6004 m, 将污染物压缩到较低的底层内, 进一步导致了空气质量的恶化.
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| 图 7 观测试验期间典型过程的逐日风廓线 Fig. 7 The daily wind profiles of typical process during the observationss |
图 8给出了2014年1月4日佛山大气边界层的结构演化, 4日佛山受大陆冷高压控制且PM2.5浓度相当高, 是一个大气边界层结构演化非常典型的污染日.在6：00, 尚未日出, 地面净辐射为负值, 经过一夜的由下至上降温, 地表形成了厚度约为700 m左右的稳定边界层(SBL), 其上为残余层(RL), 再往上则为自由大气(FA)；在8：00, 随着日出后太阳辐射增强, 地面温度上升, 地表混合层(ML)已发展到约500 m, 其上稳定边界层和残余层相应变薄；在10：00—16：00, 混合层厚度进一步增大, 其中, 16：00达到当日最大高度约为1200 m；在18：00, 日落后地面净辐射再次转为负值, 地表开始形成稳定边界层；在20：00—23：00, 稳定边界层持续存在且愈加深厚.综合以上分析, 在冬季大陆冷高压控制下, 佛山地区地表会出现长时间存在的高度稳定边界层, 非常不利于污染物的扩散, 而且白天混合层发展的旺盛与否也相应地影响到局地污染物的扩散.
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| 图 8 2014年1月4日边界层结构演化 Fig. 8 The evolution of atmosphere boundary layer on 4st October 2014 |
图 9是整个观测实验期间的逐日平均大气边界层高度和边界层通风量变化情况.12月19—22日大气边界层高度逐日快速降低, 导致了PM2.5浓度的持续升高, 在23日以后, 日平均边界层高度(Mean ABLH)始终维持在较低的水平, 多数时候不足500 m, 最低甚至不足300 m, 大气扩散能力较低, 污染物始终聚集在较低的大气边界层内, 也使得此后PM2.5浓度长时间维持在较高的污染水平, 最大边界层高度(Peak ABLH)则大部分小于1000 m, 极小值仅为520 m, 较小的最大边界层高度使得污染潜势也相应的减小, PM2.5浓度短时内难以降低.非污染日较少出现低空逆温, 混合层更容易发展旺盛, 边界层高度相对较大, 其日平均边界层高度约在400~800 m之间, 最大边界层高度则普遍大于1000 m, 极大值高达1800 m.
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| 图 9 观测试验期间逐日平均边界层高度(a)和通风量(b) Fig. 9 The daily mean ABLH(a) and Ⅵ(b) during the observations |
观测试验期间, 佛山日平均大气边界层通风量(Mean Ⅵ)和最大边界层通风量(Peak Ⅵ)对局地空气质量影响是非常显著的, 边界层通风量减小时, AQI也逐渐增大, 随着边界层通风量的增大, AQI则逐渐减小, 局地空气质量能够迅速的改善.干季冷暖气团对峙形成的垂直风场小风层及较低边界层高度直接导致了珠三角污染日边界层通风量显著小于非污染日.污染日平均边界层通风量(Mean Ⅵ)主要分布在500~1500 m2·s-1之间, 在极端情况下甚至不足300 m2·s-1, 最大边界层通风量(Peak Ⅵ)大部分处于1500~5000 m2·s-1之间, 极小值仅为760 m2·s-1.非污染日边界层通风量相对较大, 其Mean Ⅵ则普遍在1500~5000 m2·s-1之间, Peak Ⅵ则普遍大于5000 m2·s-1, 极大值高达19760 m2·s-1.
表 2给出的是观测试验期间AQI与Peak ABLH、Mean ABLH、Peak Ⅵ和Mean Ⅵ的相关系数, 其相关系数均通过了显著性检验, 说明Peak ABLH、Mean ABLH、Peak Ⅵ和Mean Ⅵ能够有效地反映大气的通风扩散能力, 尤其是最大边界层高度和最大边界层通风量表现出了显著的相关性, 反映的是当天最大污染潜势, 所以对空气质量有着显著的影响.
| 表 2 观测期间佛山AQI与ABLH的相关系数和阈值区 Table 2 The correlation index between ABLH, Ⅵ and AQI during the observation over PRD |
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图 10是19—22日各观测时次的边界层高度和逐时的PM2.5浓度.该过程期间边界层高度有着显著的日变化, 整体边界层高度相对较低而且呈现出持续降低的趋势, 最大边界层高度由1200 m逐渐降低到不足900 m, 不断降低的边界层高度有利于污染的积累, 导致污染物浓度也逐日持续增加.PM2.5浓度在大气边界层结构变化的影响下也出现一定的日变化, 夜间极低的稳定边界层高度使得PM2.5浓度出现短时峰值.
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| 图 10 典型过程边界层高度及逐时PM2.5浓度 Fig. 10 The ABLH and hourly concentration of PM2.5 during typical process |
1) 佛山地区干季持续存在的逆温结构是导致PM2.5污染事件的重要原因.佛山干季污染日近60%的最低逆温层高度低于1000 m, 而非污染日低于1000 m的最低逆温层仅占36%, 特别的是，污染日佛山贴地逆温频率高达31.2%, 部分观测时刻还出现了双重逆温, 较低的逆温层高度将污染物积累在底层大气中.
2) 在大陆冷高压控制下, 佛山地区的边界层结构演化非常典型, 而且对PM2.5浓度有着重要影响.最大边界层高度和最大边界层通风量表现出了显著的相关, 说明边界层高度和边界层通风量能够有效地反映大气的通风扩散能力.
3) 污染日日平均边界层高度始终维持在较低的水平, 多数时候不足500 m, 最大边界层高度则大部分小于1000 m, 日平均边界层通风量主要分布在500~1500 m2·s-1之间, 在极端情况下甚至不足300 m2·s-1, 最大边界层通风量大部分处于1500~5000 m2·s-1之间, 大气扩散能力较低, 污染物始终聚集在较低的大气边界层内, 使得PM2.5浓度长时间维持在较高的污染水平.
4) 佛山地区风场存在显著的3层结构, 较小的底层风速意味着大气的输送和扩散能力较弱, 高度较低的中层使得污染物进一步被压缩累积在大气底层.垂直风场的不稳定性使得污染日佛山地区局地回流活跃, RF指数极小值多分布在0.2~0.4之间, 其RF指数普遍小于非污染日, 垂直风场的有效输送能力被显著削弱.
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